吉林西部膜下滴灌水氮调控对玉米生长及水肥利用的影响

2020-11-28孙云云刘方明高玉山侯中华窦金刚刘慧涛

灌溉排水学报 2020年11期

孙云云，刘方明，高玉山，侯中华，窦金刚，刘慧涛

（吉林省农业科学院农业资源与环境研究所，长春130033）

0 引言

【研究意义】玉米是涵盖了多种功能的粮食作物，主要用于食用、饲料、能源等，玉米生产为国家粮食和经济安全提供了重要保障[1]。据统计，吉林省玉米种植面积在1985 年仅为167.96 万hm2，到2017 年，玉米种植面积358.97 万hm2。吉林省西部半干旱区玉米常年播种面积约为80 万hm2，其中绝大部分是中、低产田，具有较大的粮食增产潜力。该地区干旱多风少雨，干旱频率不断增加，施肥不合理，水分与氮肥利用率低，玉米产量年际间波动性较大。玉米能够获得高产的2 个关键因素就是水和氮[2]。要促进作物生长发育，增加产量就需要适宜的灌水施氮量[3]，但在实际的农业生产中，普遍存在为求高产过量灌溉与施氮的现象，造成资源浪费，水肥利用率低，农业面源污染等问题[4-6]。因此，深入研究水氮联合调控机制，制定合理的灌溉施氮制度，对提高农田水肥利用效率，改善环境有着重要的意义。

【研究进展】目前，很多学者开展了水氮联合调控研究，但因区域气候和土壤环境等因素的影响，结果并不一致。Kamal 等[7]认为在玉米生长期内任何阶段的缺水都会影响生长，降低产量。高亚军等[8]研究表明，在玉米苗期进行干旱胁迫对产量影响较明显，在水分胁迫条件下，施入充足的氮肥能够降低玉米产量的损失。但是Moser 等[9]认为在干旱胁迫下，高剂量的氮会降低产量。Pandey 等[10]研究认为，水分胁迫若发生在玉米营养生长期内，则对玉米产量的影响不显著，相应地降低氮肥投入量可以获得高的经济效益。郭丙玉等[11]研究指出，随着水、氮投入量的增加，玉米干物质量随之增加，但达到阈值后呈降低趋势。王丽梅等[12]研究表明，充分的水、氮投入量能显著提高玉米的干物质累积。

【切入点】膜下滴灌水肥一体化技术能够依据作物的需水需肥特性，在玉米生育关键期将适量水肥输送到作物的根区，显著提高作物对水肥的利用效率[13]。因此，膜下滴灌水肥一体化技术广泛应用于半干旱区、干旱区的农业生产中[14]。在滴灌水肥一体化条件下，探讨如何充分发挥水氮的耦合作用，增加玉米产量，提高水氮利用效率具有重要意义。为此，研究水氮互作对玉米生长及产量的影响，将为玉米水肥一体化推广应用提供一定技术支撑。

【拟解决的关键问题】目前，膜下滴灌水肥调控技术的研究多采用在田间自然降水条件下，利用补充灌溉来确定合理的灌水施氮量，得出的结论虽然能够较好地应用于玉米大田生产实践中，但因降水等条件的影响，难以做到精确的控制水肥，影响水肥互作效应的准确揭示。本研究在避雨旱棚中，通过膜下滴灌设施来控制水肥施入量，揭示不同灌溉量与施氮量对玉米生长、产量、水肥利用效率等的影响，以期制定出合理的水氮管理模式。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在吉林省农业科学院乾安实验站的遮雨棚内进行，实验站位于吉林省乾安县赞字乡父字村，年平均气温4 ℃，≥10 ℃积温2 850 ℃，无霜期145 d，年均降水量约400 mm，蒸发量1 870 mm，风速3.35 m/s。土壤类型为淡黑钙土，耕层土壤的基本肥力水平为速效氮量126.07 mg/kg、速效磷量26.17 mg/kg、速效钾量123.28 mg/kg、有机质量1.60%、pH值7.92。

1.2 试验设计

采用膜下滴灌种植方式，玉米品种富民985，种植密度7.5 万株/hm2。采用随机区组试验设计，设氮肥与水分二因素，氮肥4 个水平，N0：0 kg/hm2；N1：120 kg/hm2；N2：240 kg/hm2；N3：360 kg/hm2。水分3 个水平，W1：350 mm；W2：500 mm；W3：650 mm，共12 个处理，重复3 次。P2O5、K2O 用量分别为100 kg/hm2、110 kg/hm2，并作基肥一次施入；氮肥为尿素，在玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期进行追肥，采用膜下滴灌随水施肥方式施入土壤，利用水压表控制灌水量，具体见表1。试验小区长8.5 m，共4 行，行宽0.65 m，小区面积20.4 m2，小区四周用高150 cm 高分子树脂膜相隔，以防止水分和养分侧渗。

表1 玉米各生育期的灌水施肥比例 Table 1 The ratio of irrigation and nitrogen in different stage

1.3 测定项目与方法

株高：在抽雄吐丝期后，每个处理取10 株，测定由土面至雄穗顶端的高度，取平均值。

叶面积指数：每个处理选10 株，取平均值。叶面积=长×宽×0.75，LAI=单株叶面积×单位面积内株数/单位面积。

干物质量：于105 ℃下杀青30 min，然后在75 ℃下烘干至恒质量。

产量及产量构成：每个处理选取10 m2进行测产，后选取10 个果穗称鲜质量，并带回风干考种，折标准水（14%）计算产量，分析产量构成因素。

氮肥偏生产力（PFPN，kg/kg）=籽粒产量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）。

氮肥农学效率（ANUE，kg/kg）=（施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量）（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）。

灌溉水分利用效率（IWUE，kg/m3）=作物产量（kg/hm2）/单位面积灌水量（m3/hm2）。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007、SPSS16.0 进行数据处理，利用Matlab 进行二因素回归模拟。

2 结果与分析

2.1 不同灌水施氮量对玉米生长发育的影响

2.1.1 不同灌水施氮量对玉米株高的影响

图1 为不同灌水施肥条件下玉米株高在玉米不同生育期内的变化情况。由图1 可知，苗期至拔节期内，玉米株高增长量最大。W3N4 处理下玉米株高增长最多，达到129 cm。苗期、拔节期各水肥处理下的株高存在显著性差异；抽雄吐丝和灌浆期各水肥处理下株高间的差距有所减小，但仍有显著性差异。同时，在高氮水平下，灌水量越大，玉米生长发育越早，W3N2、W3N3、W2N2、W2N3 处理的株高在吐丝期已接近最大值，之后株高增长缓慢。

在一定范围内，水分与氮肥的耦合能促进玉米的生长发育，表现出明显的正交互作用。W3N3 处理株高最高，达到284.8 cm，W1N0 处理株高最低，为247.2 cm。在水分一定的条件下，玉米株高随着氮肥水平的提高而增加（除W1N3 处理），W1N3 处理的株高比W1N2 处理的低5.9 cm。在水分胁迫条件下，高氮量反而对玉米的生长发育有所抑制。在氮肥水平一定的条件下，株高随着灌水量的增加而增加。在灌水量为W1 时，N2 处理的株高比N0 处理增加12.8 cm；在灌水量为W2 时，N3 处理的株高比N0 处理增加24.8 cm；在灌水量为W3 时，N3 处理的株高比N0 处理增加27.7 cm。

图1 不同灌水施氮量下玉米株高 Fig.1 Effects of different water and nitrogen Treatments on maize plant height

2.1.2 不同灌水施氮量对玉米LAI 的影响

不同灌水施氮量下玉米LAI 见表2。由表2 所知，叶面积指数表现为：拔节至灌浆期逐渐增大，灌浆期至乳熟期缓慢减小。在水分一定的情况下，叶面积指数随着氮肥施入量的增加而增加；拔节期，W2N3 处理的叶面积指数最高，与W2N2、W3N3 处理间无显著性差异，与其他处理间存在显著性差异。抽雄吐丝期，W2N2 处理的叶面积指数最高，与W2N3、W3N3处理间无显著性差异，与其他处理存在显著性差异。灌浆期与乳熟期，W2N2 处理的叶面积指数最高，与其他处理差异显著。说明灌水与施氮量对叶面积指数有显著的影响。

表2 不同灌水施氮量下玉米LAI Table 2 Effects of different water and nitrogen on LAI of maize

2.2 不同灌水施氮量对地上干物质量的影响

由图2 所知，玉米干物质量随着水氮投入量的增加而增大，达到一个阈值后，干物质量小幅度降低。W3N2 处理的地上部分单株干物质量最大，达到409.5 g，但与W2N3、W3N3 处理间无显著性差异。在灌水量一致的情况下，随着施氮量的增加，干物质量呈增加趋势，在灌水量为W1，施氮量为N2 时，干物质量最大，比N0 增加70.3 g，但与N3 间无显著性差异；在灌水量为W2，施氮量为N3 时，干物质量最大，比N0 增加90.1 g，与其他处理存在显著性差异；在灌水量为W3，施氮量为N2 时，干物质量最大，比N0 增加66.5 g，与N3处理间无显著性差异。在水分一致的情况下，适宜的氮肥投入能获得较高的干物质量，而过量投入不能产生较大贡献。

图2 不同灌水施肥量下玉米干物质量 Fig.2 Effects of different water and nitrogen on dry mass

由图3 可以看出，不同水氮处理对玉米叶、茎、籽粒干物质量均有所影响。W2N3 处理的玉米叶干物质量最高，比W1N0 处理增加15.7 g；W2N3 处理的茎干物质量最高，比W1N0 处理增加45.3 g；W2N2处理的籽粒干物质量最高，比W1N0处理增加39.9 g，但与W2N3、W3N3 处理间无显著性差异。

图3 不同灌水施肥量下玉米各器官干物质量 Fig.3 Effects of different water and nitrogen treatments on dry mass of different organ

在灌水量一致的情况下，随着施氮量的增加，玉米叶、茎干物质量总体呈增加趋势，但是籽粒的干物质量呈先增加后降低的趋势。W1N3 处理的籽粒干质量比W1N2 处理低11.3 g，W2N3 处理的籽粒干物质量比W2N2 处理低4.2 g；W3N3 处理的籽粒干物质量比W3N2 处理低4.8 g。可以看出适量的水氮供应能够提高籽粒干物质量。

2.3 不同灌水施氮量对玉米产量及构成要素的影响

图4 为不同处理下的玉米产量，产量分别在W2N2 处理与W1N0 处理下获得最大和最小值，分别为12 408.01 kg/hm2和8 289.42 kg/hm2，W2N2 处理比W1N0 处理增产49.7%。在灌水量一致的条件下，施氮肥能够增加玉米的产量，并且随着氮肥施入量的增加，产量呈先增加后降低的趋势。在氮肥施入量一致的条件下，灌水量的增加也会增加玉米产量。可以看出高水高肥处理下的产量并非最高，说明水分适宜情况下，继续增加施氮量不能起到增产作用。对不同灌溉量下的玉米产量与氮肥施入量进行回归分析，玉米产量（Y）与氮肥施入量（N）的关系拟合为：Y350=-0.045X2+21.51X+8 192，R2=0.951；Y500=-0.04X2+23.56X+8 661，R2= 0.954；Y650=-0.022 X2+16.83X+8 752，R2=0.931。当灌溉量为350 mm 时，最佳施氮量为239 kg/hm2，理论最高产量为10 762.45 kg/hm2；当灌溉量为500 mm 时，最佳施氮量为294.5 kg/hm2，理论最高产量为12 130.2 kg/hm2；当灌溉量为650 mm 时，最佳施氮量为382.5 kg/hm2，理论最高产量为11 970.7 kg/hm2。

图4 不同灌水施肥量下玉米产量 Fig.4 Effects of different water and nitrogen treatments on maize yield

图5 为对产量（Z）与土壤灌水量（X）、施氮量（Y）两因素间的关系进行回归模拟，得到产量与水氮二因素的回归模型：Z=1 323.6+29.816 8X-0.029 X2+14.732 4Y-0.035 7Y2+0.118XY。

模型中，相关系数R2=0.931 1，表明理论产量与实际产量的拟合程度很好。回归模型中一次项系数均为正值，表明灌水量与施氮量对产量的提高起到促进作用，灌水量与施氮量的交互系数为正值，说明二者之间存在正交互作用。二次项系数为负值，说明产量随着灌水量与施氮量的增加，呈抛物线趋势变化。产量曲面灌水量方向较陡，施氮量方向较平滑，说明灌水量对产量影响更明显一些。通过计算，当灌水量达到575 mm，施氮量达到300 kg/hm2时，玉米产量最高，为12 160 kg/hm2。

图5 水氮耦合的产量效应 Fig. 5 Yield effect of interaction of water and nitrogen

由表3 可知，灌水与施肥对玉米产量性状有所影响，其中对穗长、百粒质量影响较大，对穗行数、行粒数影响较小。各水氮处理的玉米穗长、行粒数、百粒质量均大于W1N0 处理。W2N2 处理穗长最大，W1N0 处理最小。在灌水条件一致的情况下，百粒质量随着氮肥施入量的增加呈先增加后降低的趋势，在氮肥施入量为240 kg/hm2时，百粒质量最大。

表3 不同灌水施氮量玉米产量构成 Table 3 Effects of different water and nitrogen treatments on yield components

2.4 不同灌水施氮量对玉米氮肥与水分的利用效率的影响

由表4 可以看出，W2N1 处理的氮肥偏生产力最高，在灌溉水量一致的情况下，随着施氮量的增加，氮肥的偏生产力逐渐降低。可以看出，氮肥偏生产力与施氮量负相关。在W2 和W3 处理下，氮肥偏生产力下降的程度低于W1，说明灌水量在一定程度上可以减缓氮肥的胁迫。W2N2 处理的氮肥农学效率最高，W1N3 处理的氮肥农学效率最低，在水分胁迫时，高施氮量会影响氮肥的吸收与利用。

表4 不同灌水施氮量对水氮利用率的影响 Table 4 Effects of different water and nitrogen treatments on PFPN, ANUE and IWUE

在灌水量为W1 处理下，氮肥农学效率随着施氮量的增加而降低，在灌水量为W2、W3 条件下，随着施氮量的增加，氮肥农学效率呈现先增加后降低的趋势。在灌水量一致的条件下，随着氮肥施入量的增加，玉米灌溉水分利用效率呈先增加后降低的趋势，最高值均出现在N2 水平，由此看出施入高量的氮对水分的利用产生了负影响。W1N2 处理的灌溉水分利用率最高，W3N0 处理的灌溉水分利用率最低，存在显著性差异。

3 讨论

水、氮在一定范围内耦合表现出明显的正交互作用。王丽梅等[12]、Anjum 等[15]指出，水分缺乏会影响植物的生长和发育。本研究表明在水分一定的条件下，玉米株高随着氮肥水平的提高而增加。在水分不足时，高氮量反而对玉米的生长发育有所抑制。在氮肥水平一定的条件下，株高随着灌水量的增加而增加。灌水与施肥量能显著影响叶面积指数。从拔节至灌浆期叶面积指数逐渐增大，灌浆期至乳熟期缓慢减小的趋势。向友珍等[16]研究表明，在玉米生育期内，LAI 呈先增大后降低的趋势，在抽雄期出现最大值，这与本研究结果不完全一致，本研究结果表明多数处理的叶面积指数在灌浆期最大。Hammad 等[17]研究表明，干旱会减少叶面积指数，在良好的水分条件下，LAI 随着施氮量的增加而增大，这与本文研究结果一致。

有研究[18]表明，干物质随着水氮施用量的增加而增加，而本研究表明，干物质量随着水氮投入量的增加而增大，到达阈值后，干物质量小幅度降低，这可能与灌水量与施氮量设置的范围有关。在灌水量一致的情况下，随着施氮量的增加，玉米叶、茎干物质量总体呈现增加的趋势，但是籽粒的干物质量是呈先增加后降低的趋势。这与仲爽等[19]的研究结果一致。

水肥互作增产效应是在适宜的灌溉施肥条件下获得的[20-21]。本研究表明，灌水量与施氮量对产量的提高起到促进作用，二者之间存在正交互作用，产量随着灌水量与施氮量的增加，呈抛物线趋势变化，灌水量对产量影响更明显一些。陈东峰等[22]认为水肥交互作用对产量和灌溉水利用效率影响不显著，这可能与施肥量的设定范围有关。高亚军等[8]提出，水肥耦合试验中，认为肥是影响产量的主要因素，而多数旱棚与盆栽试验的结果表明，水分是限制作物生长的主要因素。由于本试验是采用旱棚与二次回归正交设计相结合，表现出水分的影响高于施氮量因素。

在灌水量一致时，施氮肥能够增加玉米产量，但随着施氮量的增加，产量呈先增加后降低的趋势。施氮量一致时，增加灌水量也会增产。高水高肥处理下的产量并非最高，说明水分适宜情况下，继续增加施氮量不能起到增产作用。Pandey 等[10]报道指出水分、氮肥共同影响作物的产量，水肥的耦合存在一个阈值。当低于阈值时，增加灌水量和施肥量都能增加产量；氮在高于阈值的情况下，增产效果不明显。甚至会产生负效应。本研究中，利用二次回归模型计算得出，当灌水量达到575 mm，施氮量达到300 kg/hm2时，玉米产量最高，为12 160 kg/hm2。Kamkar 等[23]研究也表明，施用200 kg/hm2的氮肥会增加产量，而进一步施用高于200 kg/hm2的氮肥则没有效果。气候、土壤等条件不同时，最佳灌水施氮量也有所不同。

在灌溉水量一致的情况下，氮肥偏生产力与施氮量呈负相关关系，氮肥的偏生产力随着施氮量的增加逐渐下降。郝小雨等[24]研究表明，过量的施氮会降低氮肥利用率。同时，在最低灌溉水平下，灌溉水利用效率最高，随着灌溉水平的增加，灌溉水利用效率降低，这与文献[25-26]中结果一致。施氮肥可提高灌溉水利用效，但高量的氮对水分的利用产生了负影响。增施氮肥并不是获得最大粮食产量的可靠方法，它会降低水分利用效率。Al-kaisi 等[27]也指出在水分充足的条件下，氮肥可以提高缺氮土壤的水分利用效率。过高或过低的施氮量都不能有良好效果，因此适宜的灌溉施氮量才可能增加水分利用效率。